DE102019112756A1 - Device for force absorption, transmission and damping of mechanical vibrations - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen umfassend mindestens zwei äußere, miteinander verbundene Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen (10, 14, 18, 20, 22, 25), die zusammen einen geschlossenen Hohlraum ausbilden, der zumindest teilweise mit dämpfendem Material (30) gefüllt ist, welches mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) im Bereich seiner geringsten Dicke umschließt, und das im Bereich seiner maximalen Dicke mit mindestens einem der zwei äußeren Bauteile (10, 14, 18, 20, 22, 25) fest verbunden ist.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen in einem Lager.The invention relates to a device for absorbing force, transmitting and damping mechanical vibrations, comprising at least two outer, interconnected components made of coherent materials (10, 14, 18, 20, 22, 25) which together form a closed cavity that is at least partially with damping Material (30) is filled, which encloses at least one acoustic black hole (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) in the region of its smallest thickness, and in the region of its maximum thickness with at least one of the two outer Components (10, 14, 18, 20, 22, 25) is firmly connected. Furthermore, the invention relates to a device for absorbing force, transmitting and damping mechanical vibrations in a bearing.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontaktaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen.The present invention relates to a device for establishing contact, forwarding and damping mechanical vibrations.
Das Prinzip der Akustischen Schwarzen Löcher beschreibt eine Platte, deren Dicke h mit einer stetig steigenden Profilfunktion wie h = ε · xn oder h = y · sinm(x) entlang einer Strecke x zunimmt, wobei n, m ≥1. Dabei kann eine gerade herstellbare minimale Randdicke h0 nicht unterschritten werden. Die Dicke der Platte nimmt nur bis zu einer bestimmten Höhe zu, im Falle einer fräsenden Fertigung des Akustischen Schwarzen Lochs die Ausgangsdicke des Bleches d. Durch die Dickenabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Biegewellen führt das Design dazu, dass bei kleinen Dicken diese immer weiter sinkt, und bei einem hypothetischen h0= 0 mm den Wert
Die im Stand der Technik bekannten Anwendungen von Akustischen Schwarzen Löchern eignen sich jedoch nicht zur Kraftaufnahme und Weiterleitung, weil die dünnen Kanten der Akustischen Schwarzen Löcher bereits bei kleinen Kräften einreißen würden und somit mit einem Rissfortschritt und einer daraus resultierenden Bauteilschädigung erfolgt.
The applications of acoustic black holes known in the prior art, however, are not suitable for absorbing and transmitting forces, because the thin edges of the acoustic black holes would tear even with small forces and thus occur with crack propagation and the resulting component damage.
Im PKW-Bereich gibt es verschiedene Vorrichtungen mit selbstdämpfenden Eigenschaften. Im Karosseriebereich beschreibt die
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welcher der passiven Schwingungsdämpfung und der akustischen Beruhigung insbesondere Geräusche abstrahlender, flächenartiger technischer Gebilde sowie kraft- und schwingungsleitender Lager, insbesondere für Maschinen, dient.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen Einsatz unter kritischen Bedingungen wie wechselnder starker Belastungen und hohen Temperaturen ermöglicht, wobei eine schädigende Kraft-Einwirkung vermieden wird.
Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der Schwingungsenergie durch Dissipation in Wärme umgewandelt wird, ohne dass zu hohe Zug- oder Biegebelastungen auf die die dünnen Kanten der Akustischen Schwarzen Löcher wirken, welche dort zu Rissbildungen, Materialabbrüchen und in Folge zum Funktionsverlust führen würden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Kraftaufnahme- und Weiterleitung statischer und niedrigfrequenter Einwirkungen sowie der Leitung höherfrequenter Anteile der Einwirkung in einen lastfreien Bereich, wo sie wirksam gedämpft werden, gelöst, welche die Merkmale des Hauptanspruchs aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen dargestellt.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme- und Weiterleitung mechanischer Schwingungen, die mindestens zwei äußere, miteinander verbundene Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden die mindestens zwei äußeren, miteinander verbundenen Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen auch Verkleidungsteile genannt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die mindestens zwei äußeren Bauteile ausgewählt aus einer Deckplatte und einer Bodenplatte oder einem Hauptblech und einem Stützblech oder aus einer Innenschale oder Außenschale.
Vorteilhaft an der der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie insbesondere für Anwendungen geeignet ist, bei denen ein platten-, oder schalenförmiges Bauteil Schwingungen aufnimmt und, ohne, dass dies von technischem oder einem anderen Nutzen, oder erwünscht wäre, weiterleitet, eventuell verstärkt und abgibt, sei es als Luft-, oder Flüssigkeitsschall, sei es als mechanische Schwingung anschließender Teile (Körperschall).
Weiterhin vorteilhaft ist, dass das platzsparend integrierte dämpfende Material, im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als Dämpfungsmaterial bezeichnet, die Fortpflanzung der Schwingung innerhalb der Platte durch im inneren des Materials stattfindende Reibungsvorgänge erschwert und damit die Schallabstrahlung der Verkleidungsteile mindert.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch, insbesondere der kritische dünne Bereich des Akustischen Schwarzen Loches, durch das dämpfende Material umschlossen, wodurch dieser Bereich geschützt ist, und eine kritische Krafteinleitung in diese Bereiche ausgeschlossen werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit auch für die Darstellung von Lagern, und ist geeignet, Schwingungen direkt am Ort der Krafteinleitung zu dämpfen. Weiterhin wird dadurch vermieden, dass dieser dünne Kantenbereich im direkten Kontakt mit den äußeren Bauteilen steht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Akustische Schwarze Loch verschiedene Gestaltungen aufweisen, solange es platten- oder schalenförmig ist. Das mindestens eine Akustische Schwarze Loch weist von seiner geringsten fertigungstechnisch erzielbaren Randdicke h0 ausgehend entlang wenigstens einer Richtung eine stetige Zunahme der Plattendicke normal zur Oberfläche auf. Diese folgt einer stetigen Profilfunktion geringen Anstiegs, beispielsweise h = ε ·xn für
Die folgend beschriebenen einfachen Akustischen Schwarzen Löcher können als Spezialfälle schalenförmiger 3-dimensionaler Akustischer Schwarzer Löcher betrachtet werden, und zwar als ebene Ausprägungen rotationssymetrischer Akustischer Schwarzer Löcher bei unendlichem Radius und abschnittsweiser Ausprägung (1-dimensionale Akustische Schwarze Löcher), sowie als ebene Ausprägungen rotationssymetrischer Akustischer Schwarzer Löcher bei endlichem Radius und vollständiger Ausprägung (2-dimensionale Akustische Schwarze Löcher). In diesen ebenen Sonderfällen erfolgt die Dickenabnahme hin zum Rand entlang den in der Ebene liegenden Normalen lotrecht zur Umfangskoordinate u. Weiterhin sind partielle Ausprägungen entlang nur einer geraden Kante möglich, beispielsweise eine kammförmige Gestaltung, auch mit unterschiedlich langen Zungen wie beim Tonkamm einer Walzen-Spieldose. Die allseitige Ausdehnung mit langem Steg minimaler Dicke wie bei kreisförmigen Akustischen Schwarzen Löchern hingegen ist als dämpfungsfördernd anzusehen. Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ebener Akustischer Schwarzer Löcher ist die stetige Veränderung von x0, ε oder n in der obigen Gleichung entlang der Umfangskoordinate u. So kann zum Beispiel durch eine stetige Abnahme von ε bei gleichbleibender Randdicke h0, Maximaldicke d und Anstiegspotenz n die Länge des Akustischen Schwarzen Lochs lABH entlang der Umfangskoordinate u erhöht werden. Durch eine solche Variabilität der Gleichungsparameter lässt sich zum Beispiel der oben erwähnte Beschnitt der Akustischen Schwarzen Löcher so darstellen, dass auch die Abschnittkanten Akustische Schwarze Löcher-Charakter haben, und so die dämpfende Wirkung, wenn auch bei höheren Frequenzen, verbessert wird. Weiterhin denkbar sind gekrümmte, das heißt schalenförmige, dreidimensionale, oft unsymmetrische Akustische Schwarze Löcher. Bei Akustischen Schwarzen Löchern aus einem biegbaren Material ist es möglich, die gekrümmte Geometrie durch Umformen eines ebenen Akustischen Schwarzen Lochs zu erzeugen. Bei einer Schale in Form einer halben Ölwanne, muss hingegen die Akustische Schwarze Loch-Koordinate xi, entlang derer die Dicke des Materials des Akustischen Schwarzen Lochs zunimmt, nicht gerade, sondern kurvenförmig im 3-dimensionalen Raum verlaufend betrachtet werden. Sie schneidet sich nirgends mit den benachbarten ebenfalls kurvenförmigen x-Koordinaten xi-1 und xi+1, welche an differentiell nahe gelegenen Ausgangspunkten der (ebenfalls kurvenförmigen, 2- oder 3-dimensionalen) Umfangskoordinate beginnen und sich in Länge und räumlichem Verlauf differentiell von ihr unterscheiden können. Somit haben schalenförmige Akustische Schwarze Löcher in den meisten möglichen Fällen keine einheitliche Akustische Schwarze Loch-Länge entlang der verschiedenen gekrümmten Koordinaten, weisen somit in dem dünnen, dissipierenden Randbereich entweder unterschiedliche h0 auf, oder bei annähernd konstanten h0 über den Bereich stetig variierende ε oder n.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der passiven Schwingungsdämpfung und der akustischen Beruhigung insbesondere Geräusche abstrahlender, flächenartiger technischer Gebilde sowie kraftleitenden Maschinenlagern, wobei die erfindungsspezifische Vorrichtung einen Einsatz unter kritischen Bedingungen wie wechselnder starker Belastungen und hohen Temperaturen ermöglicht, wobei eine schädigende Kraft-Einwirkung auf insbesondere dünne, besonders schädigungsanfällige Bereiche des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs vermieden wird.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne nennenswerte kraftleitende Funktion allein der Verringerung der Amplituden hörakustisch relevanter Schwingungen an schallabstrahlenden Oberflächen unterschiedlicher, nahezu beliebiger Formen dienen kann. Auch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als passiv schwingungsdämpfendem (Maschinen-)Lager zur Kraftleitung bei gleichzeitig effektiver Körperschalldämpfung Anwendung finden. Die Eckfrequenz dieses passiv wirkenden mechanischen Tiefpasses lässt sich durch die Wahl der Länge des Akustischen Schwarzen Loches lABH festlegen. Diese wird umso größer ausfallen müssen, desto kleiner die gewünschte Eckfrequenz ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet im Wesentlichen den Vorteil, durch eine Fokussierung und Verstärkung hörakustisch relevanter Schwingungen in einem konstruktiv festgelegten Bereich durch die Anwendung plattenförmiger, dünner Akustischer Schwarzer Löcher eine Beruhigung der übrigen Vorrichtung zu bewirken und im genannten Bereich die Dämpfungseffizienz zu erhöhen. Somit wird mit geringem Bauteilaufwand das Material besonders schallmindernd gestaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfasst die Vorrichtung weiterhin einen Rahmen
The invention is therefore based on the object of providing a device which is used for passive vibration damping and acoustic calming, in particular flat technical structures which emit noises, as well as force and vibration-conducting bearings, in particular for machines.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide a device which enables use under critical conditions such as alternating high loads and high temperatures, with a damaging force being avoided.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide a device in which vibration energy is converted into heat by dissipation, without excessive tensile or bending loads acting on the thin edges of the acoustic black holes, which cause cracks, material breaks and would lead to a loss of functionality.
The object of the invention is achieved by providing a device for absorbing and transmitting static and low-frequency effects and for conducting higher-frequency components of the effect into a load-free area where they are effectively damped, which device has the features of the main claim. Advantageous further developments of the device according to the invention are presented in the dependent claims.
The subject of the invention is a device for absorbing and transmitting mechanical vibrations, the at least two outer, interconnected components made of
In the context of the present invention, the at least two outer, interconnected components made of coherent materials are also called cladding parts. In the context of the present invention, the at least two outer components are selected from a cover plate and a base plate or a main plate and a support plate or from an inner shell or outer shell.
The advantage of the device according to the invention is that it is particularly suitable for applications in which a plate-shaped or shell-shaped component absorbs vibrations and transmits, possibly amplifies and emits them, without this being of technical or other benefit or desired , be it as airborne or liquid-borne noise, or as mechanical vibration of adjacent parts (structure-borne noise).
It is also advantageous that the space-saving integrated damping material, also referred to as damping material in the context of the present invention, makes the propagation of the vibration within the plate more difficult due to friction processes occurring inside the material and thus reduces the sound radiation of the cladding parts.
The at least one acoustic black hole, in particular the critical thin area of the acoustic black hole, is preferably enclosed by the damping material, as a result of which this area is protected, and a critical area Force introduction in these areas can be excluded. The device according to the invention is therefore also suitable for the representation of bearings and is suitable for damping vibrations directly at the point where the force is introduced. This also prevents this thin edge area from being in direct contact with the outer components.
According to the present invention, the acoustic black hole can have various shapes as long as it is plate-shaped or bowl-shaped. The at least one acoustic black hole has, starting from its smallest edge thickness h 0 that can be achieved in terms of manufacturing technology, along at least one direction, a steady increase in the plate thickness normal to the surface. This follows a continuous profile function with a slight rise, for example h = ε · x n for
The simple acoustic black holes described below can be viewed as special cases of shell-shaped 3-dimensional acoustic black holes, namely as flat manifestations of rotationally symmetrical acoustic black holes with an infinite radius and in sections (1-dimensional acoustic black holes), and as flat manifestations of rotationally symmetrical acoustics Black holes with a finite radius and complete expression (2-dimensional acoustic black holes). In these flat special cases, the decrease in thickness takes place towards the edge along the normal lying in the plane perpendicular to the circumferential coordinate u. Furthermore, partial designs along just one straight edge are possible, for example a comb-shaped design, even with tongues of different lengths, such as the clay comb of a drum music box. The all-round expansion with a long web of minimal thickness, as in the case of circular acoustic black holes, on the other hand, is to be regarded as promoting attenuation. Another design option for flat acoustic black holes is the constant change of x 0 , ε or n in the above equation along the circumferential coordinate u. For example, the length of the acoustic black hole l ABH along the circumferential coordinate u can be increased by a steady decrease in ε with constant edge thickness h 0 , maximum thickness d and increase potential n. Such a variability of the equation parameters allows, for example, the above-mentioned trimming of the acoustic black holes to be represented in such a way that the section edges also have the character of acoustic black holes, and so the damping effect is improved, albeit at higher frequencies. Curved, that is, shell-shaped, three-dimensional, often asymmetrical acoustic black holes are also conceivable. In the case of acoustic black holes made of a flexible material, it is possible to create the curved geometry by reshaping a flat acoustic black hole. In the case of a shell in the form of half an oil pan, on the other hand, the acoustic black hole coordinate x i , along which the thickness of the material of the acoustic black hole increases, does not have to be viewed straight, but curved in the 3-dimensional space. It does not intersect anywhere with the neighboring, also curved, x-coordinates x i-1 and x i + 1 , which start at differentially close starting points of the (also curved, 2 or 3-dimensional) circumferential coordinates and vary in length and spatial progression can distinguish from her. Thus, in most possible cases, shell-shaped acoustic black holes do not have a uniform acoustic black hole length along the various curved coordinates, so they either have different h 0 in the thin, dissipating edge area, or ε that varies continuously over the area with approximately constant h 0 or n.
The device according to the invention is used for passive vibration damping and acoustic calming, in particular surface-like technical structures that emit noises and force-conducting machine bearings, the device-specific device enabling use under critical conditions such as changing heavy loads and high temperatures, with a damaging force acting on particularly thin, areas of the at least one acoustic black hole that are particularly prone to damage are avoided.
It is also advantageous that the device according to the invention, without any significant force-conducting function, can serve solely to reduce the amplitudes of acoustically relevant vibrations on sound-emitting surfaces of different, almost arbitrary shapes. The device according to the invention can also be used as a passively vibration-damping (machine) bearing for power transmission with, at the same time, effective structure-borne noise damping. The corner frequency of this passive mechanical low-pass filter can be determined by the Choice of the length of the acoustic black hole l Define ABH . This will have to be greater, the lower the desired corner frequency is.
The device according to the invention essentially offers the advantage of calming the rest of the device by focusing and amplifying acoustically relevant vibrations in a structurally defined area by using plate-shaped, thin acoustic black holes and increasing the damping efficiency in the area mentioned. The material is thus designed to be particularly noise-reducing with little component effort.
In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the device further comprises a
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die mindestens zwei äußeren Bauteile
Vorzugsweise erfüllt zumindest eines der äußeren Bauteile die Funktion der Kraftaufnahme und Weiterleitung.
Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der zusammenhängende Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoff.
Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das dämpfende Material
Vorzugsweise ist das dämpfende Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffschäumen, Fein- und Mikrofasern, Naturfasern, Filze, Luftpolsterfolien und Granulaten.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die Kunststoffschäume Polyethylen, Polyurethan, Polyethersulfon oder Polyethylenterephthalat sein.
Weiterhin können im Sinne der vorliegenden Erfindung die Granulate aus Kunststoff, Aerogel oder Perlit bestehen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beruhen die Fein- oder Mikrofasern auf Naturfaser-, Kunststoff-, Silikat-, Carbon-, Glas- oder Gesteins-Basis.
Diese Materialien eignen sich bereits allein für die Dämpfung von Körperschall oder die Absorption und Dissipation von Luftschall, werden in dieser Wirkung durch die Kombination mit dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch verstärkt. Je nach Anwendungsfall können verschiedene Dämpfungsmaterialien zum Einsatz kommen. Für Anwendungen, die eine sehr hohe Hitzebeständigkeit erfordern (zum Beispiel Heiß-, und Abgasanlagen) beispielsweise sind Glas-, Silikat-, oder Steinfasern geeignete dämpfende und dämmende Werkstoffe, die Temperaturen über 1000°C standhalten können. Für Anwendungen bei normalen Temperaturen hingegen genügen feinporige, elastische Kunststoffschäume. Bis auf die bei Belastung teils offenen Lagerstrukturen eignen sich alle anderen integrierten Akustischen Schwarzen Löcher auch für lose Werkstoffe wie Granulatschüttungen. Sollen diese den Raum, in welchen die Akustischen Schwarzen Löcher ragen, nur partiell ausfüllen, so müssen diesen Schüttungen beispielsweise mit Kunststoffschäumen wie den Auflagern
At least one of the outer components preferably fulfills the function of absorbing and transmitting forces.
Furthermore, a device according to the invention is preferred in which the coherent material is selected from the group consisting of metal, plastic and composite material.
In addition, a device according to the invention is preferred in which the damping material
The damping material is preferably selected from the group consisting of plastic foams, fine and microfibers, natural fibers, felts, air cushion films and granules.
For the purposes of the present invention, the plastic foams can be polyethylene, polyurethane, polyethersulfone or polyethylene terephthalate.
Furthermore, for the purposes of the present invention, the granules can consist of plastic, airgel or perlite.
For the purposes of the present invention, the fine or microfibers are based on natural fibers, plastics, silicate, carbon, glass or stone.
These materials are already suitable for the damping of structure-borne sound or the absorption and dissipation of air-borne sound, and this effect is enhanced by the combination with the at least one acoustic black hole. Depending on the application, different damping materials can be used. For applications that require very high heat resistance (e.g. hot and exhaust systems), for example, glass, silicate or stone fibers are suitable dampening and insulating materials that can withstand temperatures of over 1000 ° C. For applications at normal temperatures, however, fine-pored, elastic plastic foams are sufficient. With the exception of the storage structures that are partly open when exposed to stress, all other integrated acoustic black holes are also suitable for loose materials such as granulate fillings. If these should only partially fill the space in which the acoustic black holes protrude, then these fillings must, for example, with plastic foams like the supports
Die Dämpfungsmaterialien können sowohl als zusammenhängende als auch als unzusammenhängende Dämpfungsmaterialien schichtweise in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebracht werden. Dies bietet sich dergestalt an, dass die dämpfenden Unter-, Ober und ggf. Zwischenlagen abwechselnd mit Akustischen Schwarzen Löchern, die sie umgeben, eingebracht werden können. Dies ist für einen schädigungsfreien Einbau der Akustischen Schwarzen Löcher vorteilhaft, wenn nicht sogar unabdingbar.The damping materials can be introduced into the device according to the invention in layers as coherent as well as incoherent damping materials. This offers itself in such a way that the damping lower, upper and, if necessary, intermediate layers can be introduced alternately with acoustic black holes that surround them. This is advantageous, if not essential, for a damage-free installation of the acoustic black holes.
Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Kanten die äußere Begrenzung des Akustischen Schwarzen Loches gegenüber der Umgebung, an dem es die Randdicke h0 aufweist. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass sie eine verbesserte Dämpfungswirkung durch Schwingungsbeaufschlagung einer größeren Randfläche aufweisen kann, insbesondere gegenüber nur zu einem Rand in der Dicke abnehmender Akustischer Schwarzer Löcher. Sie ähnelt dem Becken eines Schlagzeugs und begünstigt modale Schwingungen mit hoher Modendichte, oder sogar chaotische Schwingungen, was beides für die Dissipation vorteilhaft ist. For the purposes of the present invention, the edges are the outer boundary of the acoustic black hole in relation to the surroundings at which it has the edge thickness h 0 . The advantage of this embodiment is that it can have an improved damping effect through the application of vibrations to a larger edge surface, in particular compared to acoustic black holes that decrease in thickness only towards one edge. It resembles the cymbal of a drum kit and favors modal vibrations with a high mode density, or even chaotic vibrations, both of which are beneficial for dissipation.
Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Profilfunktion eine im mathematischen Sinne eindeutige Funktion, welche einer gerade oder gekrümmt verlaufenden Koordinate x auf jedem Wert von x0>0 mm bis xu=x0+lABH (in mm) eine lotrecht auf ihr gemessene Materialstärke h(x) zuordnet, welche stetig von einer Randdicke ho bei x0 ansteigt und bei xu die Dicke d erreicht, wobei erfindungsgemäß der Raum zwischen der Koordinate x und h(x) durch ein festes Material ausgefüllt ist. Das Akustische Schwarze Loch im Sinne der Erfindung ist dann der zusammenhängende Bereich des festen Materials, welcher so gestaltet ist, dass er durch verschiedene einander in dem Bereich nicht schneiender Koordinaten xi und einander ebenfalls nicht schneidender hi(xi), welche dieser Definition folgen, eingegrenzt ist und so in seiner Geometrie beschrieben wird.In the context of the present invention, the profile function is a function that is unique in the mathematical sense, which corresponds to a straight or curved coordinate x measured perpendicularly on each value from x 0 > 0 mm to x u = x 0 + 1 ABH (in mm) Material thickness h (x), which increases steadily from an edge thickness ho at x 0 and reaches thickness d at x u , the space between the coordinate x and h (x) being filled with a solid material according to the invention. The acoustic black hole in the sense of the invention is then the coherent area of the solid material, which is designed in such a way that it is defined by different coordinates x i that do not intersect in the area and h i (x i ) that also do not intersect each other follow, is limited and so described in its geometry.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Profilfunktion zum Beispiel die Potenzfunktion h = ε ·xn, wobei in diesem Falle verschiedene
Die Umfangskoordinate u ist genau diejenige Kurve an der Oberfläche des Akustischen Schwarzen Loches, an welchem jede x-Koordinate einer die Geometrie eines Akustischen Schwarzen Loches beschreibenden Profilfunktion genau den Wert xu,i hat, für welchen hi(x>xu,i)=d=konst. gilt, also die Kurve, welche den Bereich maximaler Dicke des Akustischen Schwarzen Loches begrenzt.The circumferential coordinate u is precisely that curve on the surface of the acoustic black hole on which every x coordinate of a profile function describing the geometry of an acoustic black hole has exactly the value x u, i , for which hi (x> x u, i ) = d = const. applies, i.e. the curve that limits the area of maximum thickness of the acoustic black hole.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die modalen Schwingungsmaxima jene Punkte, in denen die Biegeschwingung der gewählten Mode die größten Amplituden in Schwingweg, Schwingschnelle und Schwingbeschleunigung aufweisen. In the context of the present invention, the modal oscillation maxima are those points at which the flexural oscillation of the selected mode has the greatest amplitudes in terms of oscillation path, oscillation velocity and oscillation acceleration.
Durch diese Ausführungsform können gezielt akustisch wichtige Biegeeigenmoden der Deckel- oder Bodenplatte oder einer in der Gesamt-Konstruktion anschließenden Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung, worin diese eingesetzt wird, gedämpft werden. Bevorzugt ist auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass dadurch Gewicht eingespart werden kann, und die Länge des Akustischen Schwarzen Loches lASL größer wird, wodurch niedrigere Frequenzen gedämpft werden können.The advantage of this embodiment is that weight can be saved as a result and the length of the acoustic
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die mindestens zwei äußeren Bauteile
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Akustisches Schwarzes Loch selbst ein Verbindungsstück darstellen.In the context of the present invention, an acoustic black hole can itself represent a connecting piece.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass dadurch die Steifigkeit der gesamten Vorrichtung erhöht wird und die Schwingungen beider schallabstrahlender Seiten in die Akustischen Schwarzen Löcher eingekoppelt werden.The advantage of this embodiment of the device according to the invention is that it increases the rigidity of the entire device and the vibrations of both sound-emitting sides are coupled into the acoustic black holes.
Vorzugsweise bestehen die Verbindungsstücke aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise einer Keramik. Dies kann die Verwendung eines thermisch weniger belastbaren Materials der Akustischen Schwarzen Löcher ermöglichen, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kontakt zum Verbindungsstück im Anwendungsfall höhere Temperaturen annimmt, und wenn auch das dämpfende Material ebenfalls thermisch isolierende Eigenschaften hat. Die Verbindung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Erstens kann eine Schraubverbindung zwischen den Verkleidungsteilen hergestellt werden, welche das mindestens eine mit einer Durchgangsbohrung versehene Akustische Schwarze Loch und die Verbindungsstücke kraft- und/oder formschlüssig zwischen den äußeren Bauteilen, z. B. Deckel- und Bodenplatte, verspannt, wobei die Verspannung durch eine Mutter außerhalb der äußeren Bauteile oder durch eine Gewindebohrung, in welche eine Verbindungsschraube eingedreht wird, erfolgt. Die formschlüssige Verbindung bietet sich für folgende besondere Gestaltung an: Die Verbindungsstücke können auch aus einem Elastomer oder, bei thermisch anspruchsvollen Anwendungen, einem Drahtgeflechtpuffer bestehen, welches das Akustische Schwarze Loch elastisch an Deck- und Bodenplatte koppelt. So könnte das Akustische Schwarze Loch zusätzlich als Masse eines Masse-Dämpfer-Feder-Systems fungieren, welches bei richtiger Abstimmung eine bestimmte, und auch tieffrequente Struktureigenfrequenz dämpfen kann. Dabei stellen die Verbindungstücke Feder und Dämpfer zugleich dar. Des Weiteren kann auch eine Vernietung angebracht werden, wobei ein Niet anstelle der Verbindungsschraube eingesetzt wird und die Bohrungen in den äußeren Bauteilen an dieses Verbindungselement angepasst werden. Außerdem kann bei ähnlichen Materialien eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch und dem äußeren Bauteil, als auch, auf der anderen Seite, zwischen dem Akustischen Schwarzen Loch und Verbindungsstück hergestellt werden. Hier bietet sich zum Beispiel das Reibschweißverfahren an. Dieses stellt mittels Aufschmelzzonen eine Verbindung zwischen einem äußeren Bauteil, insbesondere einer Bodenplatte, dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch sowie dem Akustischen Schwarzen Loch und einem Verbindungsstück her. Möglich ist aber auch eine Gewindebohrung im Verbindungstück, über die dieses mit einer kurzen Schraube gegen das äußere Bauteil, vorzugsweise die Deckelplatte verspannt wird. Drittens können als andere stoffschlüssige Verbindungen auch Löt- oder Klebeverbindungen an den gleichen Positionen erzeugt werden, wenn der Anwendungszweck der Struktur der Akustischen Schwarzen Löcher bei Temperaturen erfolgt, die unterhalb der Erweichungstemperatur des jeweilig verwendeten Verbindungsstoffes liegt.The connecting pieces preferably consist of a thermally insulating material, for example a ceramic. This can make it possible to use a thermally less resilient material of the acoustic black holes if the device according to the invention with contact to the connector assumes higher temperatures in the application, and if the damping material also has thermally insulating properties. The connection can be created in different ways. Firstly, a screw connection can be established between the paneling parts, which the at least one acoustic black hole provided with a through-hole and the connecting pieces non-positively and / or positively between the outer components, e.g. B. cover and base plate, clamped, the bracing by a nut outside the outer components or by a threaded hole into which a connecting screw is screwed, takes place. The form-fitting connection is ideal for the following special design: The connecting pieces can also consist of an elastomer or, for thermally demanding applications, a wire mesh buffer that elastically couples the acoustic black hole to the top and bottom plate. The acoustic black hole could also function as the mass of a mass-damper-spring system, which, if properly tuned, can dampen a certain and also low-frequency natural structural frequency. The connecting pieces represent a spring and a damper at the same time. Furthermore, riveting can also be attached, with a rivet is used instead of the connecting screw and the holes in the outer components are adapted to this connecting element. In addition, with similar materials, a cohesive connection can be established between the at least one acoustic black hole and the outer component, and also, on the other hand, between the acoustic black hole and the connecting piece. The friction welding process, for example, is ideal here. This creates a connection between an outer component, in particular a base plate, the at least one acoustic black hole and the acoustic black hole and a connecting piece by means of melting zones. However, it is also possible to have a threaded hole in the connecting piece, via which the connecting piece is braced against the outer component, preferably the cover plate, with a short screw. Thirdly, as other material connections, soldered or glued connections can also be produced at the same positions if the intended use of the structure of the acoustic black holes takes place at temperatures that are below the softening temperature of the respective connection material used.
Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Akustische Schwarze Loch eine Bohrung mit einem größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Verbindungsstücke, damit das Verbindungsstück sich räumlich nicht mit dem Akustischen Schwarzen Loch überschneiden kann. Hierbei ist nicht nur eine einfache Bohrung denkbar, sondern eine derartige Gestaltung des Randes des Bohrloches denkbar, bei dem er selbst die Form eines kleinen Akustischen Schwarzen Loches hat, also die Blechdicke zum Lochrand stetig abnimmt, im einfachsten Falle in Form einer einen scharfen Lochrand ausbildenden, linear verlaufenden, optimaler Weise flach gestalteten Fase.The at least one acoustic black hole preferably comprises a bore with a larger inner diameter than the outer diameter of the connecting pieces, so that the connecting piece cannot spatially overlap with the acoustic black hole. Not only a simple drilling is conceivable here, but such a design of the edge of the borehole is conceivable in which it itself has the shape of a small acoustic black hole, i.e. the sheet thickness steadily decreases towards the edge of the hole, in the simplest case in the form of a sharp edge of the hole , linear, optimally flat bevel.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch einseitig entweder an der Deckel- oder Bodenplatte oder an dem Hauptblech und Stützblech oder an der Innenschale und Außenschale mittels eines Verbindungsstücks befestigt.The at least one acoustic black hole is preferably fastened on one side either to the cover or base plate or to the main sheet and support sheet or to the inner shell and outer shell by means of a connecting piece.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Befestigung über Schrauben
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der mindestens zwei Akustische Schwarze Löcher
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass das Verbindungsstück kürzer ausfallen kann oder sogar wegfällt. Entsprechend können auch Mutter(n) für die Verbindungsschraube(n) entfallen und durch ein Gewinde in dem letzten Akustischen Schwarzen Loch durch die Anordnung hergestellten Stapels erfolgen.The advantage of this embodiment is that the connecting piece can be shorter or even omitted. Accordingly, nut (s) for the connecting screw (s) can also be omitted and the stack produced by the arrangement can be made through a thread in the last acoustic black hole.
Insbesondere bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Vorrichtung weiterhin Auflager (
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Auflager Stützkörper, Flächen zum Tragen von Bauteilen, welche aus Kunststoff oder Metall bestehen. Diese Auflager sind entsprechend der Anzahl k von Akustischen Schwarzen Löchern, die von ihnen abgestützt werden, in k+1 Lagen unterteilt. Die Auflager sind verschiebungssicher so im Raum zu positionieren, dass die minimal dünne Kante des Akustischen Schwarzen Lochs um mindestens ein Drittel der Länge des Akustischen Schwarzen Loches über das Auflager ragt.In the context of the present invention, supports are support bodies, surfaces for supporting components made of plastic or metal. These supports are divided into k + 1 layers according to the number k of acoustic black holes supported by them. The supports are to be positioned in the room so that they cannot move so that the minimally thin edge of the acoustic black hole protrudes over the support by at least a third of the length of the acoustic black hole.
Des Weiteren wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen in einem Lager gelöst, welche mindestens ein Akustisches Schwarzes Lochs
Vorzugsweise nimmt das mindestens eine Akustische Schwarze Loche nach außen oder innen in der Dicke ab.
Weiterhin weist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch vorzugsweise in seinem Bereich maximaler Dicke oder maximaler und hoher Dicke das Lagerelastomer auf.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Geräteseite die Seite des Lagers, auf welcher der durch das Lager abgestützte Gegenstand seine Gewichtskraft oder eine andere durch ihn übertragene oder erzeugte Kraft auf das Lager überträgt, welche durch das Lager aufgenommen und übertragen wird. Die Stützseite hingegen ist diejenige Seite, in der die auf der Geräteseite aufgenommene Kraft, durch den Effekt des Lagers von Schwingungen bereinigt, in einen Festkörper, mit welchem das Lager durch die Stützaufnahme mechanisch verbunden ist, und der als fester Boden angesehen werden kann, eingeleitet wird.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch eben, rotationssymetrisch gekrümmt oder rotationssymetrisch spiralenförmig gekrümmt ausgebildet.Furthermore, the object of the present invention is achieved by a device for absorbing forces, transmitting and damping mechanical vibrations in a bearing, which has at least one acoustic black hole
The at least one acoustic black hole preferably decreases in thickness towards the outside or inside.
Furthermore, the at least one acoustic black hole preferably has the bearing elastomer in its area of maximum thickness or maximum and high thickness.
In the sense of the present invention, the device side is the side of the bearing on which the object supported by the bearing transfers its weight or another force transmitted or generated by it to the bearing, which is caused by the Stock is recorded and transferred. The support side, on the other hand, is the side in which the force absorbed on the device side, cleared of vibrations by the effect of the bearing, is introduced into a solid body to which the bearing is mechanically connected by the support mount and which can be viewed as solid ground becomes.
The at least one acoustic black hole is preferably flat, curved in a rotationally symmetrical manner or curved in a rotationally symmetrical manner in a spiral shape.
Vorteilhaft an der Verbindung des mindestens einen Schwarzen Lochs an seiner größten Dicke mit den äußeren Bauteilen ist, dass so eine Schwingungsübertragung erfolgen kann.
Vorteilhaft an der Anordnung des mindestens einen dämpfenden Materials, welches das mindestens eine Akustische Schwarze Loch mindestens in seinem Bereich minimaler Dicke umschließt, ist, dass es die Schwingungen des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs aufnimmt und dissipiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sind auf mindestens einer der Lagerseiten mindestens zwei Akustische Schwarze Löcher
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass durch die Bildung von Stapeln, die Lagerkraft der Akustischen Schwarzen Löcher gleichermaßen übertragen wird.
Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der die Geräteaufnahme
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche einen Lagerrahmen
Vorteilhaft an einem Lagerrahmen ist, dass dieser sowohl das mindestens eine dämpfende Lagermaterial als auch das mindestens eine Akustische Schwarze Loch vor äußeren Einflüssen schützt, ohne eine Verschiebung der Lagerhälften zueinander unter Krafteinwirkung zu behindern.
Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das mindestens eine dämpfende Lagermaterial (
Weiterhin kann im Sine der vorliegenden Erfindung das mindestens eine dämpfende Material nochmals in sich unterteilt sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dort zum Einsatz kommen, wo zugleich Druckkräfte normal zur Platten- oder Schalenebene aufgenommen und/oder übertragen werden sollen, oder Zug- und Druckbelastungen in Richtung der Ebene, wobei die Struktur insbesondere zugleich Schwingungen im Hörfrequenzbereich von 16 Hz bis 20 kHz dämpfen soll. Dabei wird zwischen dem einen Anwendungsfall unterschieden, in welchem die Kraft von einem Bauteil über die Struktur auf ein anderes Bauteil übertragen wird, und dabei die Schwingung im Hörfrequenzbereich teils oder vollständig in der Struktur dissipiert wird, und dem, worin die Struktur in ein wandförmiges Teil integriert wird oder dieses ersetzt, welches Körper- /und oder Luftschall aufnimmt, weiterleitet und an anderer Stelle als hörbaren, störend empfundenen oder anderweitig unerwünschten Luftschall abgibt. In beiden Fällen besteht die Wirkungsweise der Erfindung darin, dass ein ebenes oder gekrümmtes Akustisches Schwarzes Loch derart in die Struktur eingebaut ist, dass ein Teil der in sie eingeleiteten Schwingungen in das Akustische Schwarze Loch eingeht, sich darin als Biegeschwingung fortsetzt, und im Bereich der geringsten Dicke des Akustische Schwarze Loch idealerweise eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von null erreicht, also nicht zurückläuft, dafür aber eine große Schwingungsamplitude dieses Bereiches erzeugt, welche direkt von einem dämpfenden Material aufgenommen wird, welches innerhalb der Struktur eingeschlossen ist und das Akustische Schwarze Loch zumindest im Bereich seines „Tip“ umgibt, so dass die Schwingungsenergie von ihm dissipiert, also in Wärme verwandelt und nicht in das angrenzende Bauteil oder die angrenzende Luft übertragen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit zur geräuscharmen Darstellung von Gehäuseteilen schallabgebender Kraft- und Arbeitsmaschinen, Haushaltsgeräten, Teilen der Fahrzeugkarosserie. Sie kann als passiv schwingungsminderndes Stützlager für Maschinen die Einleitung von an anderer Stelle als störend wahrgenommenem Körperschall unterbinden oder vermindern und somit zur Verbesserung des Anwendungskomforts beitragen. Sie eignet sich prinzipiell auch zur Anwendung als Trittschalldämmung in Gebäuden. Da sich alle wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl aus hitzebeständigen Materialien, wie auch leichtbauenden Verbundwerkstoffen darstellen lassen, ist eine Anwendung auch unter schwierigen thermischen Bedingungen sowie unter der Forderung des Leichtbaus möglich.The advantage of connecting the at least one black hole at its greatest thickness to the outer components is that vibrations can be transmitted in this way.
The advantage of the arrangement of the at least one damping material, which encloses the at least one acoustic black hole at least in its area of minimal thickness, is that it absorbs and dissipates the vibrations of the at least one acoustic black hole.
In a preferred embodiment of the device according to the invention, there are at least two acoustic black holes on at least one of the bearing
The advantage of this embodiment is that, through the formation of stacks, the bearing force of the acoustic black holes is equally transmitted.
Furthermore, a device according to the invention is preferred in which the
A device according to the invention which has a bearing frame is particularly preferred
The advantage of a bearing frame is that it protects both the at least one damping bearing material and the at least one acoustic black hole from external influences without hindering a displacement of the bearing halves with respect to one another under the action of force.
In addition, a device according to the invention is preferred in which the at least one damping bearing material (
Furthermore, in the context of the present invention, the at least one damping material can be further subdivided.
The device according to the invention can be used where at the same time compressive forces normal to the plate or shell plane are to be absorbed and / or transmitted, or tensile and compressive loads in the direction of the plane, with the structure in particular vibrations in the audio frequency range from 16 Hz to 20 kHz should dampen. A distinction is made between the one application in which the force is transmitted from one component via the structure to another component, and the vibration in the audio frequency range is partially or completely dissipated in the structure, and that in which the structure is converted into a wall-shaped part is integrated or replaces it, which absorbs structure-borne and / or air-borne sound, forwards it and emits air-borne sound elsewhere as audible, annoying or otherwise undesirable. In both cases, the mode of operation of the invention is that a flat or curved acoustic black hole is built into the structure in such a way that some of the vibrations introduced into it enter the acoustic black hole, continue therein as a bending vibration, and in the area of the The smallest thickness of the acoustic black hole ideally reaches a speed of propagation of zero, i.e. does not run back, but generates a large oscillation amplitude in this area, which is absorbed directly by a damping material that is enclosed within the structure and the acoustic black hole at least in its area “Tip” surrounds it so that the vibration energy is dissipated by it, i.e. converted into heat and not transferred to the adjacent component or the adjacent air. The device according to the invention is therefore suitable for the low-noise display of housing parts of sound-emitting power and working machines, household appliances, parts of the vehicle body. As a passive vibration-reducing support bearing for machines, it can prevent or reduce the introduction of structure-borne noise that is perceived as disturbing elsewhere and thus contribute to improving the comfort of use. In principle, it is also suitable for use as impact sound insulation in buildings. Since all essential components of the device according to the invention can be made from both heat-resistant materials and lightweight composite materials, it can also be used under difficult thermal conditions and when lightweight construction is required.
Vorzugsweise werden die Eigenschaften von Akustischen Schwarzen Löchern genutzt, die Schwingungen einer Platte oder Schale aufzunehmen, und auf einen Bereich zu fokussieren, wo sie durch Verstärkung der Schwingungsamplituden bei geringem Dämpfungsmaterialaufwand effektiv in Wärme umgewandelt werden. Durch die Möglichkeit, Akustische Schwarze Löcher als dünne und leichte Teile herzustellen, kann die Gestaltung der ursprünglichen Platte oder Schale zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geringer Massen- und Dickenzunahme erfolgen. Dabei wird die Gefahr eines Einrisses des Plattenmaterials bei Krafteinwirkung, die bei direkter Einbringung eines Akustischen Schwarzen Loches in eine Platte herrscht, vermieden, indem der dünne Bereich des Akustischen Schwarzen Loches so angeordnet wird, dass der Kraftfluss durch ihn minimal wird.Preferably, the properties of acoustic black holes are used to absorb the vibrations of a plate or shell and to focus on an area where they are amplified by amplifying the vibration amplitudes can be effectively converted into heat with little use of damping material. Due to the possibility of producing acoustic black holes as thin and light parts, the design of the original plate or shell into the device according to the invention can be carried out with a small increase in mass and thickness. The risk of the panel material tearing when a force is applied, which occurs when an acoustic black hole is directly introduced into a panel, is avoided by arranging the thin area of the acoustic black hole in such a way that the flow of force through it is minimal.
Im Falle einer Anwendung mit bereits gegebener integraler Anordnung von dämpfungsfähigem Material, wie zum Beispiel in doppelwandigen Karosserieteilen, ist die Darstellung des Konzeptes auch ohne Dickenzunahme möglich und eine äußerlich unsichtbare Integration des Akustischen Schwarzen Loches möglich.In the case of an application with an already given integral arrangement of dampening material, such as in double-walled body parts, the concept can also be represented without increasing the thickness and an externally invisible integration of the acoustic black hole is possible.
Auch kann das Konzept beispielsweise eine Gewichtsersparnis ermöglichen, wenn durch die strukturelle Schwingungsdämpfung auf einen schweren und steiferen Aufbau verzichtet werden kann, zum Beispiel im Fall einer Aluminiumölwanne, die durch eine Kunststoff-Leichtbaukonstruktion mit Kunststoffschaum und integriertem Akustischen Schwarzen Loch ersetzt werden kann.
Das mindestens eine Akustische Schwarze Loch kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so angeordnet sein, dass sein Bereich maximaler Dicke Druck- und Zugkräfte übertragen und die Gesamtsteifigkeit der Struktur erhöhen kann. The concept can also enable weight savings, for example, if the structural vibration damping means that a heavy and stiffer structure can be dispensed with, for example in the case of an aluminum oil pan, which can be replaced by a lightweight plastic construction with plastic foam and an integrated acoustic black hole.
The at least one acoustic black hole can be arranged in the device according to the invention in such a way that its area of maximum thickness can transmit compressive and tensile forces and increase the overall rigidity of the structure.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung elektrisch ansteuerbare und aktiv schwingungsreduzierende Aktoren. Diese können sowohl an mäßig dicken Bereichen des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs als auch im Innenraum oder an der äußeren Oberfläche der der erfindungsgemäßen Vorrichtung angebracht sein. Die dem Fachmann bekannten zur aktiven Dämpfung ebenfalls notwendigen Sensoren und Regler sind ebenfalls von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst, so sie der Erfassung des Schwingungszustandes der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Ansteuerung der auf oder in ihr befestigten Aktoren dient. Als solche können Piezo-Patches eingesetzt werden, welche jedoch zugleich der Erfassung von Körperschallspannungen dienen können. Bei Kombination einer Aktor-Schicht mit einer viskoelastischen handelt es sich um sogenanntes Active Constrained-Layer Damping (ACLD). Zur Schwingungsauslöschung muss die ansteuerbare Schicht durch den Regler dergestalt in Schwingung versetzt werden, dass sie einen Phasenversatz von etwa 180° zur zuvor messtechnisch erfassten eingehenden unerwünschten Schallschwingung hat und diese somit durch destruktive Interferenz auslöscht. Solche aktiven Schwingungsdämpfungsverfahren können Prinzip bedingt nur niederfrequente Schwingungen bis ca. 200 Hz dämpfen, und sind daher geeignet, die Wirkung der erfindungsgemäßen passiv wirkenden ABH-Strukturen zu ergänzen, aber nicht zu ersetzen.Furthermore, the device according to the invention comprises electrically controllable and actively vibration-reducing actuators. These can be attached both to moderately thick areas of the at least one acoustic black hole and in the interior or on the outer surface of the device according to the invention. The sensors and regulators known to those skilled in the art, which are also necessary for active damping, are also included in the device according to the invention if they are used to detect the vibration state of the device according to the invention and to control the actuators mounted on or in it. Piezo patches can be used as such, but they can also serve to record structure-borne noise stresses. The combination of an actuator layer with a viscoelastic one is what is known as Active Constrained Layer Damping (ACLD). In order to cancel the vibrations, the controllable layer must be made to vibrate by the controller in such a way that it has a phase offset of about 180 ° to the previously metrologically recorded incoming unwanted sound vibrations and thus cancels them out through destructive interference. Such active vibration damping methods can in principle only dampen low-frequency vibrations up to approx. 200 Hz and are therefore suitable for supplementing, but not replacing, the action of the passively acting ABH structures according to the invention.
Die meisten Komponenten der vorliegenden Vorrichtung sind einfache Halbzeuge oder Normteile, deren Herstellung dem Fachmann bekannt sind und somit keiner genaueren Erläuterung bedarf. Die äußeren Bauteile sind grundsätzlich flächige Formen, insbesondere auch solche mit durchgängigen Löchern beliebiger Form innerhalb der Hauptfläche des äußeren Bauteils, die ebenfalls einen Rand dieser Fläche darstellen und ebenso wie die äußeren Ränder der Fläche so zu gestalten sind, dass ein Austreten des Dämpfungsmaterials nicht möglich ist, und der Schutz desselben vor äußeren Einflüssen ebenso gut wie an den äußeren Randbereichen ist. Auch hier ist ein Kontakt von den dünnen Rändern des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches konstruktiv auszuschließen.Most of the components of the present device are simple semi-finished products or standard parts, the manufacture of which is known to the person skilled in the art and therefore does not require any more detailed explanation. The outer components are basically flat shapes, in particular those with continuous holes of any shape within the main surface of the outer component, which also represent an edge of this surface and, like the outer edges of the surface, must be designed in such a way that the damping material cannot escape is, and the protection of the same from external influences is just as good as at the outer edge areas. Here, too, contact with the thin edges of the at least one acoustic black hole must be ruled out by design.
Die Herstellung der Akustischen Schwarzen Löcher dagegen ist eine fertigungstechnische Herausforderung, welche mittels bekannter Herstellungsverfahren wie dem Fräsen, insbesondere für die meisten einfachen Akustischen Schwarzen Löcher Anwendung findet, aber nicht für die Massenproduktion oder auch die Herstellung komplexer, schalenförmiger Akustischer Schwarzer Löcher geeignet ist. Ferner sind das Gießen, Gesenkschmieden und das Vakuum-Laminieren Verfahren, die sich für die Herstellung auch der erfindungsgemäßen komplexeren schalenförmigen Akustischen Schwarzen Löcher anbieten. Weitere mögliche Fertigungsverfahren sind (1) das Tiefziehen, welches mit einem geringfügig und präzise konisch gestalteten Stempel erfolgen muss, der im Prozess des Absenkens das umzuformende Blech in ein nach der Profilfunktion zunehmend geringeres Spaltmaß zwischen Stempel und Matrize zieht, das gegen null geht, und dort zum Materialabriss führt, (2) das Rapid Prototyping-Verfahren für Forschungszwecke mit eher kleineren Abmessungen aber komplexen Geometrien, (3) Prepreg-Laminierverfahren, bei denen die Randdicke h0 durch die Höhe der einzelnen Fasermatten vorgegeben ist und der Dickenverlauf der Akustischen Schwarzen Löcher durch Längenzuschnitt dieser Fasermatten vorgegeben werden kann, (4) der funkenerosive Materialabtrag bei Blechen, (5) präzises Schleifen aus dem Vollen bei ebenen und gekrümmten Akustischen Schwarzen Löchern sowie (6) das Anschleifen anderweitig erzeugter Materialkanten zur zusätzlichen Verringerung der Minimaldicke und zum Erzeugen vorteilhafter ausfransender Ränder.The production of acoustic black holes, on the other hand, is a manufacturing challenge, which is used by known production methods such as milling, in particular for most simple acoustic black holes, but is not suitable for mass production or the production of complex, shell-shaped acoustic black holes. Furthermore, casting, drop forging and vacuum lamination are processes which are also suitable for the production of the more complex shell-shaped acoustic black holes according to the invention. Further possible manufacturing processes are (1) deep-drawing, which must be done with a slightly and precisely conically shaped punch which, in the process of lowering, pulls the sheet to be formed into a gap between punch and die that is increasingly smaller according to the profile function, which tends to zero and there leads to material demolition, (2) the rapid prototyping process for research purposes with rather smaller dimensions but complex geometries, (3) prepreg lamination processes in which the edge thickness h 0 is predetermined by the height of the individual fiber mats and the thickness profile of the acoustic blacks Holes can be specified by cutting the length of these fiber mats, (4) the electrical discharge machining of sheet metal, (5) precise grinding from the solid for flat and curved acoustic black holes and (6) the grinding of material edges created in other ways to additionally reduce the minimum thickness and to generate advantageous fraying Margins.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und die Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims Description and the drawings. The advantages of features mentioned in the description and the combinations of several features are only exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.
Weitere Merkmale sind den Figuren - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Figuren dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Further features can be found in the figures - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected back-references of the patent claims, and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate figures or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the claims for further embodiments of the invention can also be omitted.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem ABH die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein ABH, zwei ABH oder mehr ABH vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the specified number is present without the need for the explicit use of the adverb “at least”. So if, for example, one ABH is mentioned, this is to be understood in such a way that there is exactly one ABH, two ABH or more ABH. These characteristics can be supplemented by other characteristics or be the only characteristics that make up the product in question.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigt
-
1 das erfindungsgemäße Merkmal eines plattenförmigen Akustischen Schwarzen Loches darstellend die in der Beschreibung aufgeführten Parameter zur Beschreibung über der Umfangskoordinate u variabler Profilgeometrien; -
2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ebener Form; -
2a eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit erfindungsgemäßen Merkmalen ihrer Gestaltung als Lager; -
2b eine schematische der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit erfindungsgemäßen Merkmalen ihrer Gestaltung als Lager unterschieden von der ersten durch die Verwendung einer Platte anstelle eines Stapels aus Akustischen Schwarzen Löchern; -
3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschieden von der ersten durch die Erfindungsmerkmale Form und Montage der Akustischen Schwarzen Löcher; -
4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschieden von der ersten durch die Form und Montage sowie Anordnung des dämpfenden Materials sowie Auflager; -
5 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Merkmal einer blechförmigen Ausprägung der äußeren Teile; -
6 eine schematische Ansicht der in5 gezeigten Ausführungsform mit zusätzlichen akustischen Gestaltungsmerkmalen sowie einem vollständig geschlossenen Aufbau; -
7 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines Schalenaufbaus der Struktur eines Akustischen Schwarzen Loches am Beispiel einer Ölwanne. -
8 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Schalenaufbaus der Struktur eines Akustischen Schwarzen Loches am Beispiel einer Ölwanne.
-
1 the inventive feature of a plate-shaped acoustic black hole representing the parameters listed in the description for the description of the circumferential coordinate u of variable profile geometries; -
2 a schematic view of the device according to the invention in planar form; -
2a a schematic view of the device according to the invention with inventive features of its design as a bearing; -
2 B a schematic of the inventive device with inventive features of its design as a bearing differentiated from the first by the use of a plate instead of a stack of acoustic black holes; -
3 a schematic view of a third embodiment of the device according to the invention differentiated from the first by the inventive features of the shape and assembly of the acoustic black holes; -
4th a schematic view of a fourth embodiment of the device according to the invention differentiated from the first by the shape and assembly and arrangement of the damping material and supports; -
5 a schematic view of a fifth embodiment of the device according to the invention with the inventive feature of a sheet-like expression of the outer parts; -
6th a schematic view of the in5 embodiment shown with additional acoustic design features and a completely closed structure; -
7th a longitudinal section of a first embodiment of a shell structure of the structure of an acoustic black hole using the example of an oil pan. -
8th a longitudinal section of a second embodiment of a shell structure of the structure of an acoustic black hole using the example of an oil pan.
In
Die in
In
In den
In der in
Der Rahmen
The
Weitere akustisch wirksame Ausgestaltungen sind tiefgezogene oder durch anderweitiges Umformen erzeugte Rippen
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung noch einmal mit anderen Worten zusammengefasst:
- Die beschriebene vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Kontaktaufnahme und Weiterleitung statischer oder niedrigfrequenter Kräfte, welche eine gegebene Platten- oder Schalenstruktur, die unzweckmäßiger Weise Schwingungen überträgt und/oder unerwünschter Weise als Schall abstrahlt, ersetzt durch einen äußerlich platten- oder schalenförmigen Aufbau mit mindestens vier funktionalen Komponenten, welcher eine Fokussierung der Schwingungen im inneren des Aufbaus forciert und begünstigt und dort für eine Verwandlung der Schwingungen in Wärme (Dissipation) sorgt. Ein solcher Aufbau zeichnet sich durch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten aus. Er kann verkleidende Platten oder Bleche von Maschinen ersetzen und so zu einer Verringerung des von der Maschine abgestrahlten Schalles und zur thermischen Isolation beitragen. Er lässt sich als schwingungsdämpfendes Auflager für vibrierende Aggregate wie Hubkolben-Verbrennungsmotoren einsetzen, dessen Wirkung durch Mehrfachschichtung oder -Anordnung verstärkt werden kann. Er eignet sich aufgrund seiner Plattenform zur Trittschalldämmung in Gebäuden und ermöglicht die Beruhigung von PKW-Karosserien, in welche er funktional und mittragender Funktion integriert werden kann. Im Haushaltsbereich können beispielsweise Geräte, die durch Oberflächenschwingungen störenden Lärm emittieren, wie z. B. Waschmaschinen oder Kaffeeautomaten durch entsprechend gestaltete Außenverkleidungen beruhigt werden. Das vorgestellte Prinzip kann auch in komplexer geformten schwingenden Teilen Anwendung finden, wie z. B. bei der Gestaltung akustisch besonders kritischer Ölwannen von PKW- oder LKW-Verbrennungsmotoren. Auch Anwendungen bei hohen Betriebstemperaturen, wie in Heißgassystemen sind nach den Erfindungsansprüchen möglich. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsgebiete beschränkt sich die Darstellung des Standes der Technik auf das angewandte Prinzip und auf einige passiv selbstdämpfende Systeme aus dem Automobil-Bereich.
- The present invention described describes a device for establishing contact and forwarding static or low-frequency forces, which replaces a given plate or shell structure that inexpediently transmits vibrations and / or undesirably radiates as sound, replaced by an externally plate or shell-shaped structure with at least four functional components, which forces and favors a focusing of the vibrations inside the structure and ensures that the vibrations are transformed into heat (dissipation). Such a structure is characterized by a wide range of possible applications. It can replace cladding panels or sheet metal on machines and thus contribute to a reduction in the noise emitted by the machine and to thermal insulation. It can be used as a vibration-damping support for vibrating units such as reciprocating internal combustion engines, the effect of which can be reinforced by multiple layers or arrangements. Due to its panel shape, it is suitable for footfall sound insulation in buildings and enables car bodies to be calmed, into which it can be integrated in a functional and supporting role. In the household sector, for example, devices that emit disturbing noise due to surface vibrations, such as B. washing machines or coffee machines can be calmed by appropriately designed exterior panels. The principle presented can also be used in vibrating parts with a more complex shape, such as B. in the design of acoustically particularly critical oil pans in car or truck internal combustion engines. Applications at high operating temperatures, such as in hot gas systems, are also possible according to the claims of the invention. Due to the diverse areas of application, the presentation of the state of the art is limited to the principle used and to some passive self-damping systems from the automotive sector.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BodenplatteBase plate
- 1111
- Vertiefungdeepening
- 1212
- GewindebohrungThreaded hole
- 1414th
- AußenschaleOuter shell
- 1818th
- StützblechSupport plate
- 1919th
- StützaufnahmeSupport mount
- 2020th
- DeckelplatteCover plate
- 2222nd
- HauptblechMain sheet
- 2525th
- InnenschaleInner shell
- 2929
- GeräteaufnahmeDevice recording
- 3030th
- dämpfendes Materialcushioning material
- 31, 3231, 32
- dämpfendes Lagermaterialcushioning storage material
- 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 5840, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58
- Akustisches Schwarzes LochAcoustic black hole
- 41, 7541, 75
- Reibschweiß-, Löt-, oder KlebeverbindungFriction welded, soldered or glued connections
- 49',49",49"'49 ', 49 ", 49"'
- Akustisches Schwarzes Loch GeräteseiteAcoustic black hole on the device side
- 52, 8052, 80
- Schraubescrew
- 5353
- Muttermother
- 59', 59",59"'59 ', 59 ", 59"'
- Akustisches Schwarzes Loch StützseiteAcoustic black hole support side
- 60, 6160, 61
- VerbindungsstückConnector
- 6262
- Platteplate
- 6565
- Bolzenbolt
- 90, 90', 90", 90"'90, 90 ', 90 ", 90"'
- AuflagerIn stock
- 90'90 '
-
Auflager Lage 1
Support position 1 - 90"90 "
-
Auflager Lage 2
Support layer 2 - 90"'90 "'
-
Auflager Lage 3
Support position 3 - 9595
- LagerelastomerBearing elastomer
- 100100
- NieteRivet
- 110, 110'110, 110 '
- AbdichtungenSeals
- 115115
- Rahmenframe
- 118118
- LagerrahmenStorage frame
- 120120
- SickenBeads
- 130130
- RippenRibs
- 135135
- VersteifungsrippenStiffening ribs
- 140140
- DämmschichtInsulation layer
- 150150
- Schwer- und/oder SchutzschichtHeavy and / or protective layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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